(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードおよびカソードが一体化された電解質膜と、
前記アノードに密着して配置されるアノード拡散層と、前記カソードに密着して配置されるカソード拡散層と、
前記電解質膜が複数形成される際に、それら電解質膜間に形成され、一方の電解質膜に形成されるアノードに燃料を供給するアノードマニホールド及び他方の電解質膜に形成されるカソードに酸素を供給するカソードマニホールドを有する金属で形成された金属セパレータと、
前記金属セパレータは、前記アノードマニホールドより小さく、前記燃料の供給流路を形成するように突起構造が形成された、折り曲げられたアノード連絡流路構造部と、前記カソードマニホールドより小さく、前記酸素の供給流路を形成するように突起構造が形成された、折り曲げられたカソード連絡流路構造部と、を有し、
流体の流通空間を形成する連絡流路構造部と対向する金属セパレータの表面の距離Ｓと、金属セパレータの板厚ｔとの関係が、０.５ｔ≦Ｓ≦４.０ｔであることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記突起構造の先端部が、前記金属セパレータの表面と接することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
同一の金属セパレータで、流体入口マニホールドと流体出口マニホールドに連絡流路構造部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記金属セパレータの板厚ｔが０.５mmよりも小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記金属セパレータの材質が、少なくともチタンを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
アノードおよびカソードが一体化された電解質膜と、
前記アノードに密着して配置されるアノード拡散層と、前記カソードに密着して配置されるカソード拡散層と、
前記電解質膜が複数形成される際に、それら電解質膜間に形成され、一方の電解質膜に形成されるアノードに燃料を供給するアノードマニホールド及び他方の電解質膜に形成されるカソードに酸素を供給するカソードマニホールドを有する金属で形成された金属セパレータと、
前記金属セパレータは、前記アノードマニホールドより小さく、前記燃料の供給流路を形成するように突起構造が形成された、折り曲げられたアノード連絡流路構造部を有し、
流体の流通空間を形成する連絡流路構造部と対向する金属セパレータの表面の距離Ｓと、金属セパレータの板厚ｔとの関係が、０.５ｔ≦Ｓ≦４.０ｔであることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
アノードおよびカソードが一体化された電解質膜と、
前記アノードに密着して配置されるアノード拡散層と、前記カソードに密着して配置されるカソード拡散層と、
前記電解質膜が複数形成される際に、それら電解質膜間に形成され、一方の電解質膜に形成されるアノードに燃料を供給するアノードマニホールド及び他方の電解質膜に形成されるカソードに酸素を供給するカソードマニホールドを有する金属で形成された金属セパレータと、
前記金属セパレータは、前記カソードマニホールドより小さく、前記酸素の供給流路を形成するように突起構造が形成された、折り曲げられたカソード連絡流路構造部を有し、
流体の流通空間を形成する連絡流路構造部と対向する金属セパレータの表面の距離Ｓと、金属セパレータの板厚ｔとの関係が、０.５ｔ≦Ｓ≦４.０ｔであることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に係り、特に、マニホールドから供給される燃料や酸素の取り入れ流路の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜にプロトン伝導性ポリマーフィルムを用いた固体高分子形燃料電池は実用化のための試験開発段階の発電システムであるが、課題の一つに、材料コストが高いことが挙げられる。
【０００３】
燃料電池を構成する高コスト材料の一つがセパレータである。セパレータは２種類の反応ガスを混合しないように隔離する、ガス流路溝を備えた電子伝導性板の呼称である。
【０００４】
燃料電池が発電している際、電池の内部環境は腐食性雰囲気を示すためセパレータには高い耐食性が求められる。その他、セパレータ材料としては構造的な強度やガス不透過性，低抵抗などの特性が必要となる。
【０００５】
このため現在、セパレータ材料としては緻密黒鉛板にガス流路加工を施したものや、人工黒鉛粒子を樹脂で固めた樹脂モールド黒鉛に流路成形したモールド黒鉛セパレータなどが使用されている。
【０００６】
さらに、コストを低減できる可能性を有しているのが金属材料を用いた金属セパレータである。金属材料は高強度であるゆえに薄肉化が可能であり、加工性も優れることから、セパレータ一枚あたりの材料コストおよび加工コストを大幅に低減できる。
【０００７】
一般に、金属材料は燃料電池発電環境下において腐食物を生成してしまうが、特殊な材料を表面に形成させたり、伝導性保護ペーストを表面に塗布するなどして耐食性を向上させた金属セパレータが開発されつつある。
【０００８】
カーボンセパレータは数mm程度以上の板厚を有しているため、表裏の流路が独立に形成できるが、金属セパレータの場合は板厚が０.５mm以下の板をプレスしてガス流路を加工するために、板の表の形状が裏に反映された流路の凹凸ができる。
【０００９】
複数枚の金属板を組み合わせてセパレータを形成する場合は、表裏の流路形状は互いに独立であるが、コストが高くなる。最も安価にセパレータを形成するためには一枚の金属板を加工してセパレータとすることである。
【００１０】
この場合、流路を形成した板の表と裏を利用してガス流路を形成するため、流路は表裏の共通部分のみ形成することになる。たとえば、マニホールドから電極面にガスを導く導入流路部分を金属板にプレス成形してしまうと、マニホールドからのガスが、一枚のセパレータの表裏両方に流れ込んでしまうため発電できない。
【００１１】
よって、金属板にはマニホールドと電極面とを接続する流路を形成することは困難である。
【００１２】
そのため、特許文献１では、金属材料を用いたセパレータで、マニホールド周囲の材料構成を工夫することにより電極面へのガス流通路を形成している。
【００１３】
しかし、マニホールドと電極流路間のスリット状構造物は、その表面に電解質材料やシール材料など比較的やわらかい材料を配置するため、表面凹凸に沿って材料が変形し、供給する水素と空気が電池内で混合する課題があった。水素と空気が電池内で混合すると、局所的に反応が進行するため温度分布が大きくなり、電池性能低下原因の一つとなっていた。
【００１４】
そこで、特許文献２では、セパレータ基板と２枚のフレームを用いることで、構成されるセパレータと電解質膜との接する部位のガスクロスの発生防止を提案している。
【００１５】
また、特許文献１では電解質材料やシール材料などが配置されるスリット状構造物の表面は凹凸形状であったが、上記提案では、平滑面のため材料変形が抑制でき、その結果、シール性が良好に保つことができるとしている。
【００１６】
【特許文献１】特開２００７−０２７０３７号公報
【特許文献２】特開２００４−１６５０４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかし、上記提案では、セパレータ基板に加えて複数のフレームを追加する必要があり、部品点数の増加が避けられない。さらに、積層電池を製作する際、セパレータを裏返した状態で積み重ねる作業も発生するが、部材の位置ずれ防止のためには一体化が必要となる。
【００１８】
すなわち、上記提案では、追加したフレームを接着等の手法を用いてセパレータ基板へ一体化させる工程も必要となり、製作工数の増加およびそれらに伴うコスト上昇が課題となっていた。
【００１９】
よって、材料コストを抑制するために金属材料を使用し、かつ部品点数を増加させない構造で、良好なガスシール性を有するセパレータが求められていた。
【００２０】
そこで、本発明は、金属セパレータを使用し、良好なガスシール性を有する燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の燃料電池は、アノードおよびカソードが一体化された電解質膜と、アノードに密着して配置されるアノード拡散層と、カソードに密着して配置されるカソード拡散層と、電解質膜が複数形成される際に、それら電解質膜間に形成され、一方の電解質膜に形成されるアノードに燃料を供給するアノードマニホールド及び他方の電解質膜に形成されるカソードに酸素を供給するカソードマニホールドを有する金属で形成された金属セパレータとを有するものである。
【００２２】
ここで、電解質膜が複数形成されるものと説明したが、必ずしも複数形成される燃料電池のみならず、二枚の金属セパレータに挟まれた一枚の電解質膜を有する燃料電池も、本発明は適用可能である。
【００２３】
そして、金属セパレータは、アノードマニホールドより小さく、燃料の供給流路を形成するように突起構造が形成された、折り曲げられたアノード連絡流路構造部を有するものである。
【００２４】
また、金属セパレータは、カソードマニホールドより小さく、酸素の供給流路を形成するように突起構造が形成された、折り曲げられたカソード連絡流路構造部を有するものである。
【００２５】
本発明の燃料電池は、これらアノード連絡流路構造部及びカソード連絡流路構造部を両方有していてもよく、片方のみでも所定の効果を奏することができる。
【００２６】
なお、以下、アノードおよび／またはカソードを電極と、アノード拡散層および／またはカソード拡散層を拡散層と、アノードマニホールドおよび／またはカソードマニホールドをマニホールドと、アノード連絡流路構造部および／またはカソード連絡流路構造部を連絡流路構造部と、単に呼称して説明する場合がある。
【００２７】
これは、本発明を説明する上では、アノード側であっても、カソード側であっても、大きな構造上の違いがないため、どちらかを代表して説明するためである。
【００２８】
また、本発明の燃料電池における突起構造の先端部が、金属セパレータの表面と接することが好ましい。
【００２９】
そして、同一の金属セパレータで、流体入口マニホールドと流体出口マニホールドに連絡流路構造部が形成されていることが好ましい。
【００３０】
また、流体の流通空間を形成する連絡流路構造部と対向する金属セパレータの表面の距離Ｓと、金属セパレータの板厚ｔとの関係が、０.５ｔ≦Ｓ≦４.０ｔであることが好ましい。
【００３１】
そして、金属セパレータの板厚ｔが０.５mmよりも小さいことが好ましい。
【００３２】
また、金属セパレータの材質が、少なくともチタンを含むことが好ましい。
【００３３】
そして、金属セパレータには、シール材が形成される。
【００３４】
また、金属セパレータを用いて、製作工数を削減しかつシール性を向上させるため、本発明では、アノードおよびカソードが一体化された電解質膜とアノード拡散層とカソード拡散層とシール材とを有し、マニホールド内に製作され、本体である金属板材と少なくとも一辺で連結され、少なくとも一つの突起構造を有し、突起先端部がセパレータ表面と接するように連結部を含む辺で折り返すことにより流体の流通空間を形成する連絡流路構造材部を有する金属セパレータを製作し、それを用いて燃料電池を形成した。
【００３５】
マニホールドと電極間に位置する連絡流路構造材は、これに配置する電解質膜材料と平面で接触するため、電解質膜の変形が最小限で抑えられ、ガスシールへの形状的影響が無いためリークが抑えられる。
【００３６】
そして、マニホールド内に製作され、本体である金属板材と少なくとも一辺で連結され、一つ以上の突起構造を有し、該突起構造の先端部がセパレータ表面と接するように連結部を含む辺で折り返すことにより流体の流通空間と成す連絡流路構造材部を有する金属セパレータとを用いる。
【００３７】
さらに、連絡流路構造部が形成された２枚のセパレータを用いて単電池が構成されてもよい。
【００３８】
連絡流路構造材は平面板材と突起構造物から構成されるが、平面板材とセパレータ面との間隔は突起構造物の突起高さにより基本的に決定される。
【００３９】
この空間にガス等が流れるため、間隔が狭すぎると、ガスの流通抵抗が増大する。流通抵抗が増大すると、ブロア等補機の消費電力が増大し全体のシステム効率に影響する。
【００４０】
さらに板厚および連絡流路構造材部と対向するセパレータ表面の距離Ｓを規定することによりセパレータ全体厚みを抑制することができる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明により、材料コストを抑制することができる金属材料を使用し、部品点数を増加させない構造で、良好なガスシール性を有する燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
本発明の実施の形態を下記実施例に従って説明する。
【実施例１】
【００４３】
図１に示す通り、板厚０.５mmのステンレス（ＳＵＳ３１６）を用いて、電気化学反応に必要なガスを流通させるための電極部流路１１、および流路へ均一にガスを分配するための構造物である流量制御部１３をプレス加工により形成したプレス板１０を得た。
【００４４】
同時に、積層時に各セルへガスや冷却水を流通および分配するマニホールド１２内へ、高さ０.１５mmの突起構造部２１，流体流通部２２，折り曲げのための前処理加工２３を有する、プレス板に連結した連絡流路構造材部２０を形成している。
【００４５】
その後エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）ワニスをスクリーン印刷法によりプレス板１０上へシール材２５を形成し、１５０℃の真空焼成を行った。
【００４６】
プレス板の連絡流路構造材部２０を折り曲げのための前処理加工部２３にて、図２に示す通りに突起構造部２１先端部をプレス板１０の表面に接触させるまで折り曲げ加工することにより連絡流路とした。
【００４７】
プレス板表面と連絡流路構造材は突起構造部の高さにより空間を形成しており、マニホールド１２と電極部のガス流路１１を連結する流路２８となっている。
【００４８】
連絡流路構造材部裏面２４は突起構造部２１により凹部が形成されているが、それ以外は平面である。電池を構成するために組み合わせるセパレータのシール材が面する部分も平面となる。
【００４９】
よって、電解質材料は連絡流路構造材部裏面２４に接する形で配置されるが、その変形は最小限に抑制することができる。その結果、電極電解質材料の変形によって生じるガスリークを防ぐことが可能となる。
【００５０】
上記にて製作したセパレータを実施例１とした。
【実施例２】
【００５１】
板厚０.２mmのステンレス（ＳＵＳ３１６）を用いて、電気化学反応に必要なガスを流通させるための流路をプレス加工により形成したプレス板を得た。マニホールドには高さ０.２mmの突起構造部，流体流通部，折り曲げのための前処理加工を有する、プレス板に連結した連絡流路構造材部を形成した。
【００５２】
シール材を形成後、連絡流路構造材部分を折り曲げ加工することにより連絡流路とした。
【００５３】
上記にて製作したセパレータを実施例２とした。
【実施例３】
【００５４】
表面がチタン、中央層がステンレスの板厚０.２mmの３層構造クラッド材を用いて、電気化学反応に必要なガスを流通させるための流路をプレス加工により形成したチタンクラッドプレス板を得た。マニホールドには高さ０.２mmの突起構造部，流体流通部，折り曲げのための前処理加工を有する、プレス板に連結した連絡流路構造材部を形成した。
【００５５】
ガス流路部には金をスパッタリングにて表面コーティングした。以降は実施例２と同様にしてセパレータを製作した。本セパレータを実施例３とした。
【００５６】
〔比較例〕
図３ａに示す通り、板厚０.５mmのステンレスを用いて、電気化学反応に必要なガスを流通させるための流路をプレス加工により形成したプレス板を得た。同時に、積層時に各セルへガスや冷却水を流通および分配するマニホールド内へ、幅１.５mmで間隔１.５mmピッチの棒状構造体３３，折り曲げのための前処理加工２３を形成した。
【００５７】
その後ＥＰＤＭワニスをスクリーン印刷法によりプレス板上へシール材を形成し、１５０℃の真空焼成を行った。
【００５８】
プレス板の棒状構造体３３にて、図３ｂに示す通りに折り曲げ加工することによりマニホールドと電極部ガス流路を連結する連絡流路３４とした。
【００５９】
上記にて製作したセパレータを比較例とした。
【００６０】
図４に示す通り実施例１で作成したセパレータ４０を２枚、電解質膜／電極接合体１７，ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を表面に分散させ撥水性を制御したカーボンペーパーであるカソード拡散層１８，アノード拡散層１９、および冷却用セパレータ４１を積層し、その外側にカレントコレクタ５０，絶縁板５１，エンドプレート５２を順に配置し、全体を０.５ＭＰａの荷重となるようにボルト５５にて固定してセルを組み立てた。
【００６１】
実施例２，３および比較例のセパレータも同様にして単セルを作製した。
【００６２】
実施例１および比較例のセルについて、アノードおよびカソードライン出入口部にバルブを、入口部バルブとセルの間に圧力計をそれぞれ設置した。カソード入口および両方の出口バルブを封止した上でアノードラインに窒素をゲージ圧で１０ｋＰａに達するまで供給した。その後入口バルブを封止し、１０分後のアノードラインの圧力を比較した。
【００６３】
その結果、実施例１はアノードラインの圧力値が８.５ｋＰａであったのに対して、比較例は４.９ｋＰａであった。
【００６４】
これは、比較例のアノードラインへ供給した窒素が、電池内部でカソードラインもしくは冷却水ラインへリークしているために圧力低下が生じたと考えられる。
【００６５】
その要因として、構造的に異なる部分、つまりマニホールドから電極への連絡流路構造部が考えられる。
【００６６】
つまり、比較例ではマニホールドにつながる棒状構造材部に配置した電解質材料が、表面の凹凸形状に沿って変形し、シール機能を果たす上で必要な密着性が低下する結果、電池内部でのリークが発生したと考えられる。一方、実施例１では連絡流路構造材部の電解質側が平面構成となっているため、電解質膜の変形が最小限に抑えられ、その結果電池内部のシール性が向上する。
【００６７】
実施例１および実施例２のセルについて、アノードおよびカソードライン出入口部に圧力計をそれぞれ接続した。出口は大気開放とした。
【００６８】
アノードラインに、電流密度０.５Ａ／cm2，利用率８５％相当量、カソードラインに電流密度０.５Ａ／cm2，利用率５０％相当量の窒素をそれぞれ供給したときの圧力損失値を測定した。なお、利用率は、供給ガス量に対する発電に消費されたガス量の割合と定義し、圧力損失は、
圧力損失＝各ガスライン入口部圧力値−出口部圧力値
と定義した。
【００６９】
その結果、実施例１の圧力損失はアノード５.５ｋＰａ，カソード１５.０ｋＰａであったのに対し、実施例２はアノード２.５ｋＰａ，カソード６.０ｋＰａであった。
【００７０】
これは、マニホールドと電極流路間における連絡流路構造体部流路抵抗の差異が要因と考えられる。
【００７１】
必要量のガスを電池へ供給する場合、実施例２では相対的に吐出圧力の小さい補機を用いることができる。一般に吐出圧力の小さいポンプやブロアは低消費電力を示す傾向にあるため、補機駆動電力も燃料電池で賄うシステムで燃料電池の特性が同一である場合、低圧力損失の補機を使用したシステムは発電効率が高まる。
【００７２】
さらなる詳細検討の結果、セパレータ板厚ｔと連絡流路構造材部の高さＳとの関係について、Ｓが０.５ｔを下回るとセパレータとしての圧力損失値が過大となり組み合わせる補機の選定が困難となる。また４.０ｔを上回るとセパレータとしての厚みが増加するため、電池全体の容積が大きくなる。板厚ｔについては、厚すぎるとセパレータ重量が増加してしまうこと、プレス加工による流路や突起形成が困難になることから、０.５mm以上の材料は使用する利点がほとんど無い。
【００７３】
上記理由から実施例２は、燃料電池として実施例１よりもセパレータとして好ましい基本特性を有するといえる。セパレータ板厚ｔについては、０.５mm以下であること、ｔと連絡流路構造材部の高さＳとの関係については、０.５ｔ≦Ｓ≦４.０ｔの範囲とした場合、圧力損失および電池容積の関係でより好ましい。
【００７４】
実施例２および実施例３のセルについて、アノードガスとして水素、カソードガスとして空気を、それぞれ６０℃のバブラーを通過させることにより所定の水蒸気量を添加させて供給し、電子負荷装置により電流密度０.５Ａ／cm2に設定した電流を加えて発電試験を実施した。
【００７５】
このとき、水素利用率８５％，酸素利用率５０％に設定した。冷却セルには任意の温度に制御が可能な水を約０.２５Ｌ／min供給し、単セル温度を７０〜７３℃の範囲で発電できるように制御した。単セルの温度は別に設けた電池温度計測ポートを用いて発電セパレータの電極中央部温度を測定した。それぞれのセルについて１０００時間まで試験を継続し、その電池電圧の変化を記録し、試験範囲における後半１００時間の電池電圧の低下率を各セル間で比較した。
【００７６】
その結果、実施例２の電圧低下率は約３ｍＶ／１００時間であったのに対し、実施例３では約０.１５ｍＶ／１００時間となり、実施例３の特性が優れていることが判明した。
【００７７】
これは実施例３で用いたセパレータ材料のチタンが耐食性に優れ金属イオンの溶出を抑制でき、電解質材料の劣化が小さいこと、さらには流路表面にコーティングした金により、抵抗成分の上昇を最小限にすることができるためと考えられる。
【００７８】
なお本実施例は燃料として水素を用いたが、電気化学的に発電が可能な液体（例えばメタノール）などを用いても本提案はその機能が有効に働き、効果が得られることを確認している。
【００７９】
また連絡流路構造体の構成として、図５に示すような突起構成も考えることができる。
図５では、突起構成形状を変更することにより、突起部に形状復元性を付与している。このため、シール機能を発揮させるためにシール材へ適切な締め付力を加える際、突起部が変形することにより突起部に応力集中を生じさせること無く、設定通りの応力を周囲のシール材に加えることができる。その結果、シール機能の優れた燃料電池を提供することができる。
【００８０】
以上、本発明のセパレータを用いた燃料電池は、マニホールドから電極面へのガス流路を簡単に一体成形でき、金属材料にも適用が容易である。さらには良好なガスシール性を有することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、燃料および酸化剤から電気化学反応を利用しエネルギーを取り出しうる燃料電池に関する。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】実施例で用いたセパレータの一部を示す図（連結流路構造材折り曲げ前）。
【図２】実施例で用いたセパレータの一部を示す図（連結流路構造材折り曲げ後）。
【図３】比較例で用いたセパレータの一部を示す図。
【図４】単セル構成図。
【図５】実施例の別の形態を示す図。
【符号の説明】
【００８３】
１１  電極部流路
１２  マニホールド
１３  流量制御部
１８  カソード拡散層
１９  アノード拡散層
２０  連結流路構造材部
２１  突起構造部
２２  流体流通部
２３  折り曲げ前処理加工部
２４  連絡流路構造材部裏面
２５  シール材
２８  マニホールドと電極部流路の連結流路
３３  棒状構造体
３４  連絡流路
４０  セパレータ
４１  冷却用セパレータ
５０  カレントコレクタ
５１  絶縁板
５２  エンドプレート
５５  ボルト
【図１】
0005183143.tif 000002
【図２】
0005183143.tif 000003
【図３】
0005183143.tif 000004
【図４】
0005183143.tif 000005
【図５】
0005183143.tif 000006